JP2007124858A - Motor control device and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に高圧電動機を制御するのに適した電動機制御装置とその制御方法に関する。 The present invention relates to an electric motor control device particularly suitable for controlling a high-voltage electric motor and a control method therefor.
従来技術の電動機制御装置には特許文献1がある。従来技術を図を用いて説明する。図2は従来技術の電動機制御装置を電気車に応用したときのブロック構成図である。図2において101は制御装置、102はゲートドライブ回路、103は主回路、104はフィルタコンデンサ、105は運転台、106はモータ、107は直流電圧センサ、108はセンサユニットである。
There exists
次に動作について説明する。インバータ装置は、直流電圧Vdを三相のモータ電流i u , i v , i w に変換するスイッチング素子( I G B T 素子) 等からなる主回路103と、主回路103の直流側に接続され、主回路103に直流電源を供給し、かつ平滑化するフィルタコンデンサ104と、運転台105からの運転指令, 検出されたモータ電流, フィルタコンデンサ電圧に基づいて変調率を生成し、それをPWMパルス情報aに変換してゲートドライブ102に出力する制御装置101と、そのPWM情報aを主回路103内のスイッチング素子のゲート信号bに変換するゲートドライブ102から構成される。運転台105は、力行、回生指令,ノッチ信号,ブレーキ指令などの運転指令を出力する。この運転指令は、シリアル伝送ケーブル109C によって制御装置101に伝送される。電気車を駆動する交流モータ106は、主回路103の交流側に接続されている。図2には明示していないが、主回路103内にはU V W の各三相分× P ・N 側の2極=6個のIGBT素子が内蔵されているため、ゲートドライブ102から主回路103へ送るゲート信号bは6本、同様に制御装置1からゲートドライブ102へ送るPW Mパルス情報aも6本の信号線で送られる。主回路103の直流側には、フィルタコンデンサ104の端子電圧Vdを検出する直流電圧センサ( PT )7が設けられ、交流側には、モータ電流iu,iv,iwの瞬時値を検出するモータ電流センサユニット108が設けられる。各センサ107,108には、シリアル信号伝送用の接続端子として入力用と出力用とが設けられている。これにより、直流電圧センサ( PT )7の出力用接続端子とモータ電流センサユニット108の入力用接続端子はシリアル伝送ケーブル109 Aで接続され、センサユニット8の出力用接続端子と制御装置101の入力用接続端子はシリアル伝送ケーブル109Bで接続される。このように、センサ107,108と制御装置101は、シリアル伝送ケーブル9 A〜9B 介して直列に接続されるというものである。
Next, the operation will be described. The inverter device is connected to a
また、図3は図2の制御装置101の詳細構成図で、203はパルス出力部、204はE/O変換部、205a、205bは記憶装置、207は運転指令生成部、208は電流指令生成部、209は電流検出部、210は瞬時電流制御部、211は速度推定部、212は位相推定部、213は変調率演算部である。運転指令により電流指令を生成し、シリアルデータで伝送されてきたデータから電流信号を再生して瞬時電流制御を行い、パルス出力装置203で生成されたPWMゲートドライブ信号をE/O変換をして主回路のゲートドライブ部102に伝送するというものである。
しかしながら、従来の電動機制御装置では、PWMパルスの分解能が通信周期で制約されるため、制御精度が上がらず波形が歪むという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、PWM信号の分解能を保持した波形歪みの少ない電動機機制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。
However, the conventional motor control device has a problem in that the resolution of the PWM pulse is restricted by the communication cycle, so that the control accuracy is not improved and the waveform is distorted.
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an electric motor control device with less waveform distortion that retains the resolution of the PWM signal and a control method therefor.
請求項1記載の本発明は、制御部と、駆動部と、主回路と、制御部と駆動部を接続する光ケーブルとで構成される電動機制御装置において、制御部は、位置指令と位置の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、速度指令と速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成部と、電流指令と電流の電流偏差から電圧指令を生成する電流制御部と、PWM信号のキャリア信号を生成するキャリア生成部と、電圧指令とキャリア信号を電気信号から光信号に変換するE/O変換部を備え、駆動部は、光信号を電気信号に変換するO/E変換部と、電気信号から電圧指令を再生する電圧指令再生部と、電気信号からキャリア信号を再生するキャリア信号再生部と、再生電圧指令と再生キャリア信号からPWM信号を生成するPWM生成部を備えるようにしたものである。
請求項2記載の本発明は、請求項1記載の電動制御装置において、キャリア信号はキャリア周期とキャリア位相を含み、多重セル間で再生するキャリア信号に位相差をもたせるようにしたものである。
請求項3記載の本発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、電圧指令は1つまたは複数からなり、補間を取ることにより電圧指令を再生するようにしたものである。
請求項4記載の本発明は、請求項1記載の電動機制御装置において、主回路の電流をAD変換して電流信号を生成するAD変換部と、電流信号を光信号に変換する第2のE/O変換部と、光信号を電気信号に変換する第2のO/E変換部と、光信号から電流信号を再生する電流信号再生部とを有するようにしたものである。
請求項5記載の本発明は、制御部と、駆動部と、主回路と、制御部と駆動部を接続する光ケーブルとで構成される電動機制御装置の制御方法において、制御部は、位置指令と位置の位置偏差から速度指令を生成するステップと、速度指令と速度の速度偏差からトルク指令を生成するステップと、トルク指令から電流指令を生成するステップと、電流指令と電流の電流偏差から電圧指令を生成するステップと、PWM信号のキャリアを生成するステップと、電圧指令とキャリア信号を電気信号から光信号に変換するステップとを備え、駆動部は、光信号を電気信号に変換するステップと、電気信号から電圧指令を再生するステップと、電気信号からキャリア信号を再生するステップと、再生電圧指令と再生キャリア信号からPWM信号を生成するステップとを備えるようにしたものである。
According to the first aspect of the present invention, there is provided an electric motor control device including a control unit, a drive unit, a main circuit, and an optical cable connecting the control unit and the drive unit. A position control unit that generates a speed command from the deviation, a speed control unit that generates a torque command from the speed command and the speed deviation of the speed, a current command generation unit that generates a current command from the torque command, a current command and a current of the current A current control unit that generates a voltage command from the deviation; a carrier generation unit that generates a carrier signal of the PWM signal; and an E / O conversion unit that converts the voltage command and the carrier signal from an electrical signal to an optical signal. An O / E converter that converts an optical signal into an electrical signal, a voltage command regeneration unit that regenerates a voltage command from the electrical signal, a carrier signal regeneration unit that regenerates a carrier signal from the electrical signal, and a regeneration voltage command and regeneration From Yaria signal is obtained so as to include a PWM generator for generating a PWM signal.
According to a second aspect of the present invention, in the electric control apparatus according to the first aspect, the carrier signal includes a carrier period and a carrier phase, and the carrier signal reproduced between the multiple cells has a phase difference.
According to a third aspect of the present invention, in the electric motor control apparatus according to the first aspect, the voltage command is composed of one or more, and the voltage command is reproduced by interpolation.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the motor control device according to the first aspect, wherein the main circuit current is AD-converted to generate a current signal, and the second signal E is converted to an optical signal. A / O conversion unit, a second O / E conversion unit that converts an optical signal into an electrical signal, and a current signal regeneration unit that regenerates a current signal from the optical signal.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a control method for an electric motor control device including a control unit, a drive unit, a main circuit, and an optical cable connecting the control unit and the drive unit. A step of generating a speed command from the position deviation of the position, a step of generating a torque command from the speed command and the speed deviation of the speed, a step of generating a current command from the torque command, and a voltage command from the current deviation of the current command and the current Generating a PWM signal carrier, converting the voltage command and the carrier signal from an electrical signal to an optical signal, and the drive unit converting the optical signal to an electrical signal; Regenerating the voltage command from the electrical signal, regenerating the carrier signal from the electrical signal, and generating a PWM signal from the regenerated voltage command and the regenerated carrier signal It is obtained so as to include the steps.
本発明によると、PWM信号の分解能を保持した波形歪みの少ない電動機機制御装置とその制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electric motor control device that maintains the resolution of a PWM signal and has little waveform distortion, and a control method therefor.
次に、本発明の実体の形態について図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例の構成を示すブロック図である。図1において、1は制御部、2は駆動部、3は電動機、4は位置検出器である。また、11は位置制御部、12は速度制御部、13は電流制御部、14は電圧指令生成部、15はキャリア信号生成部、16は電流信号再生部、17はE/O変換部、18は第2のO/E変換部である。さらに、21はO/E変換部、22は電圧指令再生部、23はPWM信号生成部、24はキャリア信号再生部、25はAD変換部、26は第2のE/O変換部である。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a control part, 2 is a drive part, 3 is an electric motor, 4 is a position detector. Further, 11 is a position control unit, 12 is a speed control unit, 13 is a current control unit, 14 is a voltage command generation unit, 15 is a carrier signal generation unit, 16 is a current signal regeneration unit, 17 is an E / O conversion unit, 18 Is a second O / E converter. Furthermore, 21 is an O / E conversion unit, 22 is a voltage command reproduction unit, 23 is a PWM signal generation unit, 24 is a carrier signal reproduction unit, 25 is an AD conversion unit, and 26 is a second E / O conversion unit.
次に動作について説明する。位置制御部11は位置指令と位置の差である位置偏差に比例ゲインKpを乗算して速度指令を生成する。速度制御部12は速度指令と速度の差である速度偏差に比例ゲインKvを乗算して第1のトルク指令を生成する。さらに第1のトルク指令を制御周期積分し積分時間Tviで除算して第2のトルク指令を生成する。さらに第1のトルク指令と第2のトルク指令を加算してトルク指令を生成する。さらに、トルク指令から電流指令を生成する。電流制御部13は電流指令と電流の差である電流偏差を比例ゲインKcを乗算して第1の電圧指令を生成する。さらに、第1の電圧指令を制御時間積分して積分時定数Tciで除算し第2の電圧指令を生成する。さらに電圧指令生成部14で第1の電圧指令と第2の電圧指令を加算して電圧指令を生成する。キャリア信号生成部15はPWM信号生成に必要なキャリア信号を生成する。E/O変換(電気/光変換)部17は電圧指令とキャリア信号を電気信号から光信号に変換し、さらに光ケーブル6を介して、駆動部2のO/E(光/電気変換)部21に伝送する。O/E変換部21は光信号を電気信号に変換する。電圧指令再生部22は電気信号から電圧指令を再生して再生電圧指令を生成する。キャリア信号再生部は電気信号から再生キャリア信号を生成する。PWM生成部は再生電圧指令と再生キャリア信号を比較してPWM信号を生成し、主回路のゲートドライブ部(図示していない)に伝送する。主回路3はゲートドライブ部でドライブされ電動機を駆動する。また、主回路3の電流はAD変換部25でシリアル信号に変換され、第2のE/O変換部と第2のO/E変換を介して駆動部2から制御部1へ伝送され、電流信号再生部16により再生電流信号となり、電流制御に使用される。
Next, the operation will be described. The position control unit 11 generates a speed command by multiplying a position deviation, which is a difference between the position command and the position, by a proportional gain Kp. The
次に制御部1から駆動部2へ伝送される通信データについて説明する。通信データははキャリア送信モードと電圧指令送信モードの2つのモードで送信される。図4はキャリア信号のデータを示し、スタートビット、キャリア送信モード区分、同期信号SYN、キャリア同期データ、キャリア位相、演算周期データ、CRCチェック、ストップビットとで構成される。図5は電圧指令のデータで、スタートビット、電圧指令送信モード、同期信号SYNC、電圧指令データ、CRCテチェック、ストップビットで構成される。キャリア送信モードは電動機駆動装置の初期設定時に一度だけ実行され、キャリア信号はキャリア周期データ、キャリア位相データおよび演算周期データにより構成される。また、電圧指令送信モードでは、データが通信周期ごとに毎回送信され、データはひとつもしくは2つ以上の電圧指令データとキャリア同期のための同期信号で構成される。
Next, communication data transmitted from the
次にキャリア再生部について説明する。図6はキャリア再生部の構成を示すブロック図で、51はキャリア周期レジスタ、52はキャリアカウンタ、53はキャリア位相レジスタ、54は比較部、55はPWMキャリアカウンタである。キャリア周期レジスタ51にキャリア周期データが設定され、キャリア位相レジスタ53にキャリア位相データが設定される。キャリアカウンタ52はカウンタ値がキャリア周期レジスタ値と一致したとき、もしくは同期信号入力されたときにクリアされるアップカウンタであり、キャリアカウンタ52の出力値は図7に示すように同期信号に同期したキャリア周期の三角波となる。比較部54はキャリアカウンタ52の値とキャリア位相レジスタ53の値を比較し、一致時したときにPWMキャリアカウンタクリア信号を出力する。PWMキャリアカウンタ55はクリア時アップカウンタとなり、キャリア周期の1/2でダウンカウンタとなるアップダウンカウンタであり、図7に示すようにキャリアカウンタ0の時点からキャリア位相データだけずれたキャリア信号を生成する。図7は、キャリア再生部の動作波形であり、キャリア信号はキャリア送信モードで送られてくるキャリア周期データとキャリア位相データおよび電圧指令送信モードで送られてくる同期信号により再生される。
Next, the carrier reproducing unit will be described. FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the carrier reproduction unit, in which 51 is a carrier cycle register, 52 is a carrier counter, 53 is a carrier phase register, 54 is a comparison unit, and 55 is a PWM carrier counter. Carrier cycle data is set in the
次に電圧指令再生部について説明する。図8は電圧指令再生部のブロック図で、61は演算周期レジスタ、62は電圧指令レジスタ、63は前回電圧指令レジスタ、64は差分レジスタ、65はパルス分配部、66は電圧指令出力カウンタである。電圧指令受信完了時に前回値電圧指令レジスタ63には電圧指令レジスタ62の値が格納され、電圧指令レジスタ62には受信した新しい電圧指令データが格納される。また電圧指令レジスタ62の値と前回値電圧指令レジスタ63の値の差分が差分レジスタ64に格納される。パルス分配回路65は演算周期レジスタ61に設定された時間に差分レジスタ64の値のパルス数を等間隔に生成する。差分が正の場合はアップパルスを、負の場合はダウンパルスを生成する。電圧指令出力カウンタ66は指令更新時に前回値電圧指令レジスタ62の値がプリセットされ、アップパルスでカウントアップ、ダウンパルスでカウントダウンされるアップダウンカウンタである。電圧指令再生部は指令更新時に前回電圧指令レジスタ63の値となり指令更新直前で電圧指令レジスタ62の値となる直線補間値を生成する。PWM信号生成部は図9に示すような再生されたキャリア信号と再生された電圧指令を比較しPWM信号を生成する。
Next, the voltage command regeneration unit will be described. FIG. 8 is a block diagram of the voltage command reproducing unit, 61 is a calculation cycle register, 62 is a voltage command register, 63 is a previous voltage command register, 64 is a difference register, 65 is a pulse distribution unit, and 66 is a voltage command output counter. . When the voltage command reception is completed, the previous value
次に、制御方法について説明する。図10はキャリア信号を送信するフローチャートであり、初期設定時に一度だけ送信される。図10において、ステップSA1ではキャリア信号を生成し、ステップSA2ではキャリアの電気信号を光信号に変換する。ステップSA3では光信号を駆動部へ送信し、ステップSA4で電気信号に変換し、ステップSA5でキャリア信号を再生する。図11は制御周期ごとに行われる電圧指令の送信を示すフローチャートである。図11において、ステップSB1では、位置指令と位置信号から位置偏差をもとめ速度指令を生成する。次にステップSB2では、速度指令と速度から速度偏差をもとめトルク指令を生成する。次にステップSB3では、トルク指令から電流指令を生成する。次にステップSB4では電流指令と電流から電流偏差をもとめ電圧指令を生成する。次にステップSB5では電圧指令の電気信号を光信号に変換する。次にステップSB6では、光信号を駆動部へ送信する。ステップSB7では光信号を電気信号に変換する。次にステップSB8では電気信号から電圧指令を再生する。次にステップSB9では電圧指令と先に再生したキャリア信号からPWM信号を生成して主回路を駆動する。図12は制御周期ごとに行われる電流信号の再生を示すフローチャートである。図12において、ステップSC1では、主回路電流をシリアル信号に変換する。次にステップSC2では、電気信号を光信号に変換する。次にステップSC3では光信号を制御部1へ送信する。ステップSC4は光信号から電流信号を再生し、図11の電流として制御に使用する。
実施例で生成されるPWM信号の分解能は、電圧再生回路とキャリア再生回路の動作クロック周波数に依存し、通信周期には依存しない。
Next, a control method will be described. FIG. 10 is a flowchart for transmitting a carrier signal, which is transmitted only once at the time of initial setting. In FIG. 10, a carrier signal is generated in step SA1, and an electric signal of the carrier is converted into an optical signal in step SA2. In step SA3, the optical signal is transmitted to the drive unit, converted into an electric signal in step SA4, and the carrier signal is reproduced in step SA5. FIG. 11 is a flowchart showing transmission of a voltage command performed for each control cycle. In FIG. 11, in step SB1, a speed command is generated by obtaining a position deviation from the position command and the position signal. Next, in step SB2, a torque command is generated by obtaining a speed deviation from the speed command and the speed. Next, in step SB3, a current command is generated from the torque command. Next, in step SB4, a voltage command is generated by obtaining a current deviation from the current command and the current. Next, in step SB5, the voltage command electric signal is converted into an optical signal. Next, in step SB6, an optical signal is transmitted to the drive unit. In step SB7, the optical signal is converted into an electric signal. Next, in step SB8, the voltage command is regenerated from the electrical signal. Next, in step SB9, a PWM signal is generated from the voltage command and the carrier signal reproduced earlier to drive the main circuit. FIG. 12 is a flowchart showing the regeneration of the current signal performed at each control cycle. In FIG. 12, in step SC1, the main circuit current is converted into a serial signal. Next, in step SC2, the electrical signal is converted into an optical signal. Next, in step SC3, the optical signal is transmitted to the
The resolution of the PWM signal generated in the embodiment depends on the operation clock frequency of the voltage reproduction circuit and the carrier reproduction circuit, and does not depend on the communication cycle.
本発明は、PWM信号の分解能を保持した波形歪みの少ない電動機機制御装置とその制御方法を提供できるので、一般産業機械や工作機械などに適用できる。また、制御部と駆動部を光で絶縁しているので特に高圧電動機制御への適用が期待できる。 Since the present invention can provide an electric motor control device that maintains the resolution of a PWM signal and has little waveform distortion, and its control method, it can be applied to general industrial machines and machine tools. Further, since the control unit and the drive unit are insulated by light, application to high voltage motor control can be expected.
1 制御部
2 駆動部
3 主回路
4 電動機
5 位置検出器
6、7 光ケーブル
11 位置制御部
12 速度制御部
13 電流制御部
14 電圧指令生成部
15 キャリア生成部
16 電流信号再生部
17 E/O変換部
18 第2のO/E変換部
21 O/E変換部
22 電圧指令再生部
23 PWM信号生成部
24 キャリア信号再生部
25 AD変換部
26 第2のE/O変換部
51 キャリア周期レジスタ
52 キャリアカウンタ
53 キャリア位相レジスタ
54 比較部
55 PWMキャリアカウンタ
61 演算周期レジスタ
62 電圧指令レジスタ
63 前回電圧指令レジスタ
64 差分レジスタ
65 パルス分配部
66 電圧指令出力カウンタ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記制御部は、位置指令と位置の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、
前記速度指令と速度の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、
前記トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成部と、
前記電流指令と電流の電流偏差から電圧指令を生成する電流制御部と、
PWM信号のキャリア信号を生成するキャリア生成部と、
前記電圧指令と前記キャリア信号を電気信号から光信号に変換するE/O変換部とを備え、
前記駆動部は、
前記光信号を電気信号に変換するO/E変換部と、
前記電気信号から電圧指令を再生する電圧指令再生部と、
前記電気信号からキャリア信号を再生する機キャリア信号再生部と、
前記再生電圧指令と前記再生キャリア信号からPWM信号を生成するPWM生成部と、を備えることを特徴とする電動機制御装置。 In an electric motor control device including a control unit, a drive unit, a main circuit, and an optical cable connecting the control unit and the drive unit,
The control unit generates a speed command from a position command and a position deviation of the position;
A speed control unit that generates a torque command from the speed command and a speed deviation of the speed;
A current command generator for generating a current command from the torque command;
A current control unit that generates a voltage command from the current command and a current deviation of the current;
A carrier generator for generating a carrier signal of the PWM signal;
An E / O converter that converts the voltage command and the carrier signal from an electrical signal to an optical signal;
The drive unit is
An O / E converter that converts the optical signal into an electrical signal;
A voltage command regenerator that regenerates a voltage command from the electrical signal;
A machine carrier signal reproducing unit for reproducing a carrier signal from the electrical signal;
An electric motor control device comprising: a PWM generation unit that generates a PWM signal from the reproduction voltage command and the reproduction carrier signal.
前記電流信号を光信号に変換する第2のE/O変換部と、
前記光信号を電気信号に変換する第2のO/E変換部と、
前記光信号から電流信号を再生する電流信号再生部と、
を有することを特徴とする請求項1記載の電動機制御装置。 An AD converter that AD converts the current of the main circuit to generate a current signal;
A second E / O converter that converts the current signal into an optical signal;
A second O / E converter that converts the optical signal into an electrical signal;
A current signal reproducing unit for reproducing a current signal from the optical signal;
The electric motor control device according to claim 1, comprising:
前記制御部は、
初期設定時に、
PWM信号のキャリアを生成するステップと、
前記キャリア信号を電気信号から光信号に変換するステップと、
前記光信号を駆動部へ送信するステップと、
制御周期ごとに、
位置指令と位置の位置偏差から速度指令を生成するステップと、
前記速度指令と速度の速度偏差からトルク指令を生成するステップと、
前記トルク指令から電流指令を生成するステップと、
前記電流指令と電流の電流偏差から電圧指令を生成するステップと、
前記電圧指令を光信号に変換するステップと、
前記光信号を前記駆動部へ送信するステップと、
を備え、
前記駆動部は、
初期設定時に、
前記光信号を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号からキャリア信号を再生するステップと、
制御周期ごとに、
前記光信号を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号から電圧指令を再生するステップと、
前記電圧指令と前記キャリア信号からPWM信号を生成するステップと、
を備えることを特徴とする電動機制御装置の制御方法。 In a control method for an electric motor control device including a control unit, a drive unit, a main circuit, and an optical cable connecting the control unit and the drive unit,
The controller is
During initial setup,
Generating a carrier of the PWM signal;
Converting the carrier signal from an electrical signal to an optical signal;
Transmitting the optical signal to the drive unit;
For each control cycle,
Generating a speed command from the position command and the position deviation of the position;
Generating a torque command from the speed command and a speed deviation of the speed;
Generating a current command from the torque command;
Generating a voltage command from the current command and a current deviation of the current;
Converting the voltage command into an optical signal;
Transmitting the optical signal to the drive unit;
With
The drive unit is
During initial setup,
Converting the optical signal into an electrical signal;
Regenerating a carrier signal from the electrical signal;
For each control cycle,
Converting the optical signal into an electrical signal;
Regenerating a voltage command from the electrical signal;
Generating a PWM signal from the voltage command and the carrier signal;
A control method for an electric motor control device comprising:
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